復合淹沒式中空膜生物反應器處理生活污水的特性研究
中空膜生物反應器由膜組件和生物反應器組成，按其布設形式可分為錯流式(CMBR)和淹沒式(SMBR)兩大類。在CMBR中，膜組件置于生物反應器之外，因此也稱之為分置式反應器；在SMBR中，將膜組件直接淹沒在生物反應器中，因此又稱之為一體式反應器。從能耗的角度來看，SMBR優于CMBR。
我國對MBR的研究剛剛起步，目前國內尚未有應用膜式生物反應器處理生活污水的處理廠。
1 試驗裝置
本研究在自行設計的復合淹沒型膜式生物反應器試驗裝置(見圖1)中進行，該反應器由前置反硝化A段和好氧硝化O段兩部分組成。生物反應器的容積：A段為4.0 L，O段為13.9 L。A段反應器內裝填大顆粒陶粒，陶粒為直徑1.0～1.5cm、長1.2～3.7cm的近似圓柱體，空隙率為46%(其中陶粒間隙率占42%，陶粒本身的孔隙率占4%)。O段好氧反應器下部裝填盾形泡沫填料，裝填密度為1 個/L。每個填料所用泡沫約3.0g，將泡沫制成細長條，用塑料片加以固定，構成直徑約120 mm，質量為5～6 g的盾形填料。用抗微生物分解的繩子將填料串聯成一串，填料間用陶瓷環加以分隔。填料形式如圖2所示。O段反應器上部裝填中空纖維膜組件，膜面積為1.0m2，材料為聚丙烯，孔徑為0.01 μm。O段反應器底部裝有砂盤曝氣器，并由帶調節閥的轉子流量計控制曝氣量。原水經前置反硝化A段進入好氧膜式生物反應器，在出水泵的抽吸作用下得到膜過濾出水。
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2 系統工藝特性
系統由前置反硝化A段和好氧硝化O段組成A/O工藝。由于硝化液回流，好氧反應器中的DO隨硝化液進入A段反應器，在A段上部進水區形成缺氧條件。下部由于帶入反應器內的DO很快被微生物利用而消耗殆盡，形成完全厭氧條件。因此在A段反應器內實際上進行著缺氧—厭氧兩種反應。由于填料的存在，水在反應器內流速較快形成紊流狀態，不安裝攪拌裝置就能使進水與回流硝化液充分混合，從而使系統簡化，能耗降低。綜上所述，在整個A/O系統中，實際上實現了A2/O運行條件。有文獻報導，在A2/O工藝中，同等條件下缺氧/厭氧/好氧運行方式的出水水質優于厭氧/缺氧/好氧運行方式。
在活性污泥曝氣池中投放填料，是降低污泥負荷、防止污泥膨脹和實現硝化的有效措施。在O段好氧生物反應器中投放的泡沫填料具有比表面積大、孔隙率高、易掛膜和吸水后體積質量略大于水等優點。由于填料的介入，污水中微生物的生存環境由原先氣、水兩相轉變為氣、水、固三相，為微生物創造了更豐富的生存形式，部分微生物附著在填料上，其余的懸浮在水中，以生物膜和活性污泥兩種方式構成新的生態系統，且這一系統在縱橫兩個方向上互相關聯。在縱向上微生物構成一個由細菌、真菌、藻類、原生動物、后生動物等多個營養級組成的復雜生態系統，其中每個營養級的生物量都受到環境和其他營養級的制約，最終達到動態平衡。在橫向上沿著水流到載體的方向，構成了一個懸浮好氧型、附著好氧型、附著兼氧型和附著厭氧型的多種不同活動能力、呼吸類型、營養類型的微生物系統。從系統論的觀點看，系統的結構越復雜，其穩定性越強，適應環境變化的能力也越強。試驗證明，該復合系統具有運行穩定和抗沖擊負荷強的優勢。
在O段好氧反應器上部裝置中空纖維超濾膜，這是保證出水水質的關鍵，當膜組件進行固液分離時，容易引起濃差極化現象。濃差極化使得膜表面附近溶質濃度相對增高，從而引起膜通量下降，而且高分子物質和膠體物質在膜表面附近的積蓄會形成一個凝膠層，即所謂的第二動態膜，它嚴重影響了液體的流動，同時增加了水和低分子物質的透過阻力，致使增加外界的壓力與所產生的阻力相平衡，其結果只能使凝膠層的厚度增加而無法再使通量提高，這就大大影響了超濾的經濟效益。當產生凝膠層時，膜的透過速率可用下式表示
JV＝VW/1+Rg/Rm
式中 JV——水的膜透過速率，m3/(m2•d)
VW——純水的膜透過速率，m3/(m2•d)
Rg——凝膠層對流動產生的阻力，N
Rm——膜對流動產生的阻力，N
由上式可以看出，減緩濃差極化現象可以從兩個方面入手，其一是提高料液的流速，使其處于紊流狀態，讓膜面的高濃度與主流濃度更好地混合：其二是對膜面不斷進行清洗，消除已形成的凝膠層。本研究采用前一種方式，通過控制曝氣量來控制上升氣流的流速，使水流處于紊流狀態。上升氣流帶動水流對膜表面進行沖刷，有效降低了濃差極化。因此，曝氣是決定過濾條件的主要因素。
3 結果與討論
試驗用水采用直鏈淀粉、牛肉膏、蛋白胨、尿素、復合肥、NH4Cl、KH2PO4、Na2HPO4配置成模擬生活污水，試驗水質見表1。試驗期間進水量為3.0L/h；HRT為6.0h，其中A段1.4 h，O段4.6 h；
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表1 試驗水質及其分析方法 |
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指標 |
數值 |
分析方法 |
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CODcr |
152.0～432.64 |
回流法 |
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BOD5 |
58.86～293.33 |
儀器法 |
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TN |
21.56～34.77 |
堿性過硫酸鉀消解光度法 |
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TP |
4.12～9.20 |
過硫酸鉀消解氯化亞錫還原光度法 |
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SS |
33.0～149.0 |
重量法 |
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濁度（NTU） |
18.0～160.0 |
儀器法 |
3.1 DO對處理效果的影響
曝氣量由帶調節閥的轉子流量計控制，通過反應器內DO的測定值來反映曝氣量的大小(取樣時停止曝氣，用溶解氧瓶立即從O段反應器中間取樣口取樣)。試驗期間控制回流比n＝3～4，水溫30 ℃。
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圖3、4、5分別為DO對CODCr、BOD5和NH3-N去除效果的影響。由圖可以看出，隨DO的增加，總去除率均有增加的趨勢。由于膜分離技術使污水中的大分子難降解成分在體積有限的生物反應器中有足夠的停留時間，即使在DO很低(1.15 mg/L)的條件下，系統仍能獲得非常可觀的去除效果，此時系統對CODCr、BOD5和NH3-N的去除率分別為77.2%、97.0%和76.4%。由圖還可以看出，DO對生物反應器的去除效果影響較大，超濾膜對總去除率的貢獻隨著DO的增大反而有所下降。這主要是由于曝氣量越大對膜面產生的沖刷越強，從而膜表面的動態吸附層變薄，膜通過阻力降低使更多的粒子得以通過引起的。增大DO雖然可使總去除率提高，但能耗也會隨之增加；另外，若曝氣量太大，反應器內的填料上不易掛膜或容易將已掛好的生物膜沖刷下來。因此，本研究得出的結論是，DO宜控制在4～6 mg/L，這時系統的總去除率為：CODCr＞97%、BOD5＞99%、NH3-N＞94%，出水CODCr＜30mg/L、BOD5＜10mg/L、NH3-N＜2mg/L。
3.2 溫度對去除效果的影響
溫度也是決定去除效果的重要指標，溫度的高低直接影響微生物的活性，同時，水溫越高水的粘度越小，對膜分離來說非常有利。試驗過程中水溫為7～30 ℃。水溫對CODCr、BOD5和NH3-N的去除效果影響見圖6、7、8。
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由圖可知，隨著溫度的升高，系統對CODCr和BOD5的總去除率稍有增加，但對NH3-N的去除效果影響顯著。當溫度低于10 ℃時，系統對NH3-N幾乎沒有去除作用。隨著溫度的升高，系統對NH3-N的去除作用明顯增強，12 ℃時去除率為7.8%，30℃時去除率為94.7%。由圖還可以看出，溫度主要是影響生物反應器去除效果，對膜的去除效果影響不大。
3.3 系統出水水質評價
將系統控制在適宜的條件下，出水可達到CODCr＜30mg/L、BOD5＜10mg/L、NH3-N＜2mg/L、濁度＜1NTU、SS為0。本研究得出的運行條件為: DO控制在4～6mg/L、水溫t＝25～30 ℃、回流比n＝3～4、HRT＝6h，在此條件下運行，出水水質優于國家生活雜用水水質標準(CJ25.1—89)，可作為非飲用水回用。
4 結語
復合淹沒式中空膜生物反應器將多種污水處理工藝設計在極其簡單的系統裝置中，系統裝置由前置反硝化A段和好氧硝化O段兩個生物反應器組成。在A段反應器中完成缺氧—厭氧兩種反應過程。O段反應器中將中空纖維超濾膜直接放入反應器內組成一體化淹沒式膜生物反應器，同時在反應器內投入泡沫填料，反應器實際上兼具活性污泥法—生物膜法—膜分離三種處理過程，因此，系統具有運行穩定和抗沖擊負荷強等優點。
曝氣量和水溫是決定系統處理效果的重要指標，將系統控制在適宜的條件下，可得到水質優于國家生活雜用水水質標準的回用水，實現污水資源化。
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